Automatic Train Operation - TU Berlin€¦ · Automatic Train Operation Hochautomatisiertes Fahren durch London im Schienenfernverkehr Unrestricted © Siemens AG 2017 Dr.-Ing. Markus

Automatic Train OperationHochautomatisiertes Fahren durchLondon im Schienenfernverkehr

Dr.-Ing. Markus Pelz | Mainline Rail Automation | siemens.com/mobilityUnrestricted © Siemens AG 2017

Unrestricted © Siemens AG 201713.02.2017 | Automatic Train Operation | Eisenbahnwesen-Seminar - TU BerlinSeite 2 Dr.-Ing. Markus Pelz | Mainline Rail Automation | siemens.com/mobility

Vision 2050: Die Zukunft der Mobilität wird spannend

• Wir stellen uns oft die richtigenFragen, geben aber die falschenAntworten.

• Autos werden autonom fahren –ja, aber später und anders alsvielleicht vermutet!

• Das Sicherheitsniveau wird sicherheblich verbessern.

• Der Energieverbrauch wird sichverringern.

• Kapazitäten und Flexibilitätwerden immens gesteigert.

• Übergangsfrei intermodal zureisen wird der Normalfall sein.

1867

2016

Quelle: Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Pneumatic_tube#/media/File:Pneumatic_Dispatch_-_Figure_7.png

Quelle: Pocket-lint http://cdn.pocket-lint.com/r/s/970x/assets/images/phpqdbccw.jpg


Ist das „autonome Fahren“ im Schienenfernverkehr amGipfel der überzogenen Erwartungen angekommen?

Quelle: Gartners Hype cycle der Jahre 2013, 2015, 2016

Erwartungen

Zeit

Pfad derErleuchtung

Plateau derProduktivität

Technolo-gischerAuslöser

Gipfel derüberzogenenErwartungen

Tal derEnttäuschungen


Autonome Straßenfahrzeuge = Autonomes Fahren im Schienenfernverkehr ?

2015 (5 – 10 Jahre)2016 (mehr als 10 Jahre)

2013 (5 – 10 Jahre)


Systeme des Schienenfernverkehrs sind bereits höher automatisiert alsSysteme des Straßenverkehrs – eine gute Basis für die Vollautomatisierung

1 GoA = Grade of Automation, Automatisierungsgrad nach International Electrotechnical Commission/Commission Électrotechnique Internationale, Internationaler Standard 62290-12 SAE Levels 0 - 5: Automatisierungsgrade wie von der Society of Automotive Engineers (SAE) definiert

Teilweise automatisiertFahrzeugführer behält die Kontrolle

Hoch automatisiertFahrer greift begrenzt ein

VollautomatisiertOhne Eingriff eines Fahrers

Produktstatus

Produktstatus

Automatische Zugsicherung Fahrerassistenzsysteme Automatischer Zugbetrieb Fahrerloser und unbemannter Zugbetrieb

Serie Nahverkehr/Forschung und Entwicklung FernverkehrSerie

N/AForschungEntwicklungSerie

Assistenzsysteme Autopilot

Herausforderung:Im Fehlerfall mussdas System einensicheren Statuseinnehmen

Automatisierungsgrad / StatusGoA01 GoA3 GoA4

SAE 02 SAE 1 SAE 2 SAE 3 SAE 4 SAE 5

GoA1 GoA2

Fahrerassistenzsysteme für Autobahnen



Projekt RUBIN, NürnbergVollautomatisierter / fahrerloser Betrieb auf Linien U2 und U3

Weltweit erstes Projekt, bei dem ein konventionelles U-Bahn-System zumvollautomatisierten, fahrerlosen Betrieb migriert wurde.

§ 46 Züge, ausgerüstet mit einem on-board ATC System§ Linie U2: 12 km, 16 Stationen§ Linie U3: 6,1 km, 9 Stationen§ Headway: 100 s (85 s theoretisch möglich)§ In Betrieb seit 2008


Projekt Crossrail, LondonFahrzeugseitige Doppelausrüstung für den Betrieb unter CBTC und ERTMS

Trainguard MT CBTC-Betrieb im Kerngebiet mit Übergang zum ETCSLevel 2 oder konventioneller Sicherungstechnik mit AWS/TPWS in denRandgebieten.

§ 21 km neuer Tunnel§ 24 Züge/Stunde im Normalbetrieb§ 200 Millionen Fahrgäste pro Jahr§ Headway: 2,5 min (90 s theoretisch möglich)§ Betrieb ab 2018© Crossrail


Der exponentielle Anstieg der Digitalisierung wird auch das Bahnwesengrundlegend verändern – und das hat bereits begonnen!

Rüdiger Grube, ehemaliger Vorstandsvorsitzender Deutsche Bahn AG – FAZ.net, 2016

Ich rechne damit, dass wir 2021, 2022 oder 2023so weit sind, dass wir in Teilen unseres Netzesvollautomatisch fahren können.

„“


Im Sinne des olympischen Gedankens:Ist ein vollautomatisierter Bahnbetrieb stets die beste Lösung?

GoA = Grade of Automation, Automatisierungsgrad nach International Electrotechnical Commission/ Commission Électrotechnique Internationale, Internationaler Standard 62290-1

GoA 1GoA 2 GoA 3/4



Der Eisenbahnbetrieb ist hoch komplex – die Notwendigkeit derAutomatisierung wurde früh erkannt und in Teilbereichen umgesetzt

BetrieblicheSchicht

TechnischeSchicht

Fahrdienstleiter

Fahrweg

Triebfahrzeugführer

Fahrzeug

Stellwerks-bedienung

Triebfahrzeug-bedienung

Kommunikation &betriebliche Regeln

Zugbeeinflussung

ETCS

ATO



Obwohl seit mehreren Jahrzehnten die Aufgaben des Triebfahrzeugführersgrundlegende Veränderungen erfahren haben…

Aktive Steuerung Überwachen



…ist die nächste Evolutionsstufe Gegenstandteilweise kontroverser öffentlicher Diskussionen



Auf welcher Basis soll das häufig diskutierte „autonome“ Fahrenauf der vorhandenen Infrastruktur aufsetzen?

Bauform Anzahl Anteil am Gesamt-bestand in %

Mechanische Stellwerke 839 27

ElektromechanischeStellwerke 339 10

Relais- /Drucktastenstellwerke 1.397 45

Elektronische Stellwerke 424 13

Sonstige Bauformen 91 2

Stellwerke gesamt 3.090 100

Quelle: DB AG, 2014 Quelle: DB Netz AG 2015

Anzahl Stellwerke nach Bauarten (DB AG) Streckenausrüstung (DB AG)in km 2014 2015

Betriebslänge 33.281 33.281

KontinuierlicheZugbeein-flussung

LZB(zweigleisig) 2.616 2.465

ETCS(VDE 8) 0

114 (LeipzigMesse –

Erfurt Hbf)

Nächste Jahre: ~2.500 km der Gleise mit ETCS ausgerüstet

Bis 2022: ~1.450 km davon entlang ERTMS Corridor A

Bis 2030: Class B Train Control System LZB ersetzt durch ETCS

Bis 2050: TEN-Strecken in Deutschland mit ETCS ausgestattet


Unterschiede zwischen den Bedingungen für Entwicklungen von Systemenfür das vollautomatisierte Fahren bei U-Bahnen und im Schienenfernverkehr

Bereich U-Bahn-Verkehr Schienenfernverkehr

Fahrzeuge Unternehmenseigene Fahrzeuge,begrenzte Anzahl von Typen

Verschiedene Betreiber mitzahlreichen Fahrzeugtypen(Neu- und Altfahrzeuge)

Infrastruktur Begrenztes Streckennetz,einfaches Layout

Existierende Infrastruktur,Sehr komplex

Umgebungsbedingungen Geschütztes Netz undzugangsbeschränkt

Öffentlich zugänglich,z.B. an Bahnübergängen

Betrieb PersonenverkehrUrbaner Verkehr,Hochgeschwindigkeits-, Regional-und Güterverkehr

SystemProprietäre LösungenEin HerstellerIntegrierte ATP/ATO-Lösung

InteroperabelATO over ETCSDAS, Connected-DAS


Aber langsam… ein paar Dinge sollten vorweg richtig sortiert werden

Freight

Reg

iona

l

High density

High-speed line

Interoperability

Low

CA

PE

X

Low LCC

High capacity

No vendor lock-in

Hea

dway

Energy efficiency

Infrastructure costsSafety level

High system reliability

Flexible use of the system

Flexibility of drivers resources

Recoveryfrom disruptions AT

O

Leve

l3

ETCSLevel 2

Level 1 LS

Positive train control



“Vollautomatisierung ist imSchienenfernverkehr möglich”

“ATO ist eine weitere Stufe derZugsicherung/-beeinflussung”

“Automatisierung kostetArbeitsplätze”

Ein paar notwendige Einordnungen im Zusammenhang des Automatic TrainOperation (ATO) für den Schienenfernverkehr

Ja!Es besteht die Möglichkeit bestimmte betriebliche Szenarien vollautomatisiert zurealisieren. Aus der umfangreichen Erfahrung aus dem Nahverkehr lassen sich vielebewährte Funktionen auf den Fernverkehr übertragen.

Falsch!ATO ist eine Zusatzfunktion, welches auf der Basis eines sicherenZugbeeinflussungssystems, z.B. ETCS aufsetzt.

Falsch!Die Produktivität wird durch eine hochautomatisierte Systemlösung gesteigert – mehrZüge können am Tag verkehren. Aber klar ist, eine Arbeitsplatzverlagerung wirdstattfinden.

Teilweise richtig!Im Schienenfernverkehr ist vollautomatisiertes Fahren denkbar. Autonomes Fahren istnoch etwas anderes. Güter könnten sich evtl. autonom von A nach B bewegen.

“es wird zukünftigautonom gefahren”


Hochautomatisiertes Fahren im Fernverkehr wird bereits Realität:2018 wird die erste "ATO over ETCS" Anwendung den Betrieb aufnehmen

Anforderungen• Erhöhung der Kapazität auf der

bestehenden Infrastruktur in London• 24 Züge pro Stunde und pro Richtung

Umsetzung• Ziele nur mit “ATO over ETCS Level 2”

erreichbar• Trainguard® ATO over ETCS im

Kernbereich, DAS mit TPWS bzw. DASmit ETCS in den anderen Bereichen

Vorteile• Hocheffizientes ETCS-System

(vergleichbar mit einem Metrosystem)• Anwendbar auf alle Eisenbahnverkehre

TPWS – Train Protection and Warning System

Thameslink ProgrammeIndicative future network

Stations indicated are for route identification onlyThis map shows an indicative rout network. The 2015 Thameslink trainservice is subject to further evaluation and consultation by the DfT

KeyJuly 2007By end 2015(possible destinations)

Peterbrough

Bedford

Luton Airport Parkway

Cricklewood

Letchworth

Cambridge

King’s Lynn

Lewisham

Dartford

Swanley

Seven Oaks

Ashford

EastbourneBrightonLittlehampton

Guildford Horsham

Gatwick Airport

East GrinsteadTonbridge

Bromley SouthWimbledon

Elephantand Castle

London Bridge

St Pancras International

City ThameslinkFarringdon

Blackfriar

ST PANCRASINTERNATIONAL

FarringdonCity Thameslink

BLACKFRIARS


Neue Fahrzeuge für London Thameslink

Neue Fahrzeuge mit Trainguard ATO over ETCS Level 2§ 60 Züge mit 8 Wageneinheiten§ 55 Züge mit 12 Wageneinheiten


ATO over ETCS – ein Gesamtsystemansatz

TMS

ETCStrackside

ETCSon-board

ATOtrackside

ATOon-board

Track-to-train communication

ATS – ATO Kommunikation erfolgtüber ETCS und GSM-R.

Traffic Management Systemkoordiniert die Zugbewegungen.

European Train Control Systemstellt die sichere Fahrterlaubnis bereit.

European Train Control Systemon-board unit (OBU) gewährleistetdie sichere Zugbewegung.

Automatic Train Operationgewährleistet optimale Zugbewegungen.


Station 1 Station 2 Strecke

ATO Zug

ATS

Fahrplan

Haltezeiten (nominal, min, max)

Fahrzeiten (nominal, min, max)

1. Ankunftssignal

2. Abfahrtszeit

1 2

1. ATO sendet Ankunftssignal an TMS.2. TMS sendet benötigte Abfahrtszeit an ATO.

Optimale Koordination der Fortbewegung durchZusammenarbeit von TMS und ATO



ATO Zug

ATS

3. Abfahrtssignal

4. Fahrtzeit

3 4

3. ATO sendet Abfahrtssignal an TMS.4. TMS berechnet optimale Fahrtzeit.


Fahrplan





ATO Zug

ATS

5. ATOBerechnung

5. ATO berechnet optimalesGeschwindigkeitsprofil.


Fahrplan





ATS

6. ATO Kontrolle

6. ATO fährt den Zug im optimalenGeschwindigkeitsprofil.

ATO Train


Fahrplan




Vorteil 1: ATO verkürzt die Zugfolge durch späteres Bremsen undkonstantes Fahren und erhöht damit die Leistungsfähigkeit einer Strecke

Zugfolge zwischen normal betriebenen Zügen

Zugfolge zwischen mit ATO betriebenen Zügen

Optimierungspotential durch ATO

BlockBremsaufforderung durch ETCS

zulässige Geschwindigkeit

ETCSBremsweg



Vorteil 2: ATO kann den Energieverbrauch um bis zu 15-20 % reduzieren

• Die energiesparendste Fahrkurve wird in Echtzeit von ATO berechnet und umfasst nur vier Fahrweisen:volle Beschleunigung, Cruising, Coasting und volle Verzögerung.

• ATO erlaubt längere Ausrollphasen.• Die energiesparende Fahrweise wird für jede Zugfahrt optimiert und beruht nicht auf einer begrenzten Zahl fester Profile.• Darüber hinaus vermindert ATO den Verschleiß der Bremsen am Fahrzeug und reduziert die CO2-Emissionen.

VolleBeschleunigung Cruising Volle Verzögerung

Zeitoptimierte Zugfahrt

v

s

Coasten

Energieoptimierte Zugfahrt

v

s


Vollautomatisierung im Schienenfernverkehr bleibt eine Herausforderung,aber wir sind bereits auf dem richtigen Weg

Zahlreiche Cross-Urban-Projekte weltweit

Assistenzlösungen werden verstärkt angefragt

ATO over ETCS (GoA2) ist „Stand der Technik“

Vollautomatisiertes Fahren (GoA3/4) istmöglicherweise die Zukunft, aber:• Komplexes Streckenlayout.• Das Netz ist nicht vollständig gegen äußere Einflüsse zu

schützen (z.B. durch Zäune, Über- und Unterführungen etc.).• Neben den technischen Herausforderungen müssen die

Systeme in Europa harmonisiert werden.

ATO wird den Betrieb mit ETCS Level 3stabilisieren und weitere Potenziale heben.


Neue Lösungen auf dem Prüfstand zur Bahntauglichkeit

Innovationsprojekte


Erste Demonstration gemeinsam mit DB Cargo:ATO-Funktionalität im Kontext Güterverkehr erfolgreich getestet

Demonstrierte Szenarien• Automatisiertes Anfahren an Wagengruppe zum

Kuppeln

• Mit Tablet ferngesteuerte Abfahrt und exaktesHalten des Zuges

• Automatisiertes Bremsen und Anfahren nachStreckenvorgabe

• Automatisierte Fahrt mit Höchstgeschwindigkeit,sowie Abfahren einer Langsamfahrstelle

• Sensorgesteuerte Erkennung von Hindernissen


Automatisiertes, sensorgestütztes Anfahrenan Wagengruppe zum Kuppeln

• Integration der Sensorik und Komponentenin eine Bestandslok

• Anbindung ATO an die Fahrzeugsteuerung

• Ausführung von ATO-Steuerkommandos

• Exaktes Anfahren an Puffer zum Kuppeln


Automatisiertes Anfahren, Fahren entlang eines Geschwindigkeitsprofils,Bremsen und exaktes Anhalten anhand betrieblicher Streckenvorgaben

Screenshot DBCargo Film

• Initialisierte Abfahrt des Zuges per Tablet

• Ruckfreie Kontrolle eines 230 m langen Güterzuges(Fahren, Bremsen, Langsamfahren, Halten)

• Zielhalt genauer als +/- 50cm


Automatisierte Fahrt mit ATO optimiert das Fahrprofil

ATO

Tf



Automatisierte Fahrt auf ein Hindernis,sensorgestützte Erkennung und Halt

Screenshot DBCargo Film

• Erprobung von Kfz-Sensoren LIDAR und RADARmit ATO

• RADAR auf 400 m ertüchtigt (Softwareanpassung)

• Fusion der Sensordaten und Kopplung mit ATO

• Meldung detektierter Hindernisse an ATOin Echtzeit


Zielsetzung für weitere Innovationsprojekte zumvollautomatisierten Fahren im Schienenfernverkehr

Aktiver Dialog zwischen Betreibern undHerstellern bezüglich• technisch-betrieblicher Machbarkeit, Zulassung

• Akzeptanz durch Gesellschaft, Kunden undMitarbeitern

• betrieblicher Szenarien, Rückfallebenen,akzeptabler technischer Lösungen

• Kostenreduktion, Flexibilisierung des Fahrplans

• eines realistischen Bildes von ATO und höhererAutomatisierungsstufen


Herausforderung für Lösungen im Schienenfernverkehr: Interoperabilität

ATOTrackside

ATOOnboard

ETCSOnboard

ATOTrackside

Triebfahrzeugführer, Zug

ATOTrackside

ATOOnboard

ETCSOnboard

ATOTrackside


Es müssen noch weitere Lösungen erarbeitet werden, um das Ziel einesGoA4-Betriebs zu erreichen

GoA3

ATO/DAS

ETCS

TMS

NeueTechnologie

GoA1 GoA2 GoA4

GoA4-Fähigkeit


In Abhängigkeit von Kundenwünschen, Migrationsszenarien undTechnologien – ETCS ist die Grundlage für Innovationen

UNISIG-Gremien | Shift2Rail-Arbeitspakete zu ATO, Moving Block etc. | ETCS Level 3 Demonstrator…

GoA3/4Level 3

ATO

ETCS



Kontakt

Dr. Markus Pelz

Siemens AG, MO MM ML S 1Ackerstr. 2238126 Braunschweig

E-Mail: [email protected]

Weitere Informationen:www.siemens.com/etcs

Vielen Dank für IhreAufmerksamkeit!Automatic Train Operation - hochautomatisiertes Fahrendurch London im Schienenfernverkehr

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